[发明专利]一种“芯片式”Z型光催化剂板及其应用

说明书

本发明公开了一种“芯片式”Z型光催化剂板，产氢光催化剂HEP以阵列形式和产氧光催化剂OEP均匀互嵌锚定在电子介质层基底上，形成均匀互嵌阵列“芯片式”Z型光催化剂板，本发明制备的“芯片式”Z型光催化剂板具有均匀的HEP、OEP分布且规则阵列锚定在电子介质层M上，这种特殊的Z型光催化设计加快了电荷传输，且吸光性能显著增强，有良好的光催化全解水产氢产氧反应性能。

技术领域

本发明涉及光催化材料领域，具体涉及一种高效光催化全解水的均匀互嵌阵列“芯片式”Z型光催化剂板与应用。

背景技术

随着能源危机、气候变化等问题的日益严重，太阳能因其清洁、可再生和可持续的性质吸引了人们的关注，开发一种高效、低成本的催化剂来加速光催化反应对于清洁能源生产和环境修复是至关重要的，通过利用太阳能全分解水产氢产氧是利用太阳能作为可再生资源的重要途径之一。“Z型反应”体系是通过模拟自然光合作用通过有效地抑制电子空穴复合、更加宽的太阳光吸收范围和高氧化还原能力而被广泛应用于可见光全解水反应。

在Z型光催化材料的研究中，前期主要是使用氧化还原电子对来实现电子传输，这类离子态Z型光催化体系在光催化反应过程中存在一系列问题：1)氧化还原电对的副反应(非循环电对反应)；2)氧化还原电对的吸光特性会降低半导体催化剂的光吸收；3)反应条件苛刻：对pH、电势等敏感；4)体系中HEP和OEP光催化剂悬浮在氧化还原电子介体溶液中，统计学上的碰撞机率导致光生载流子的传递与作用效率低。

针对上述问题，研究者们开发了无氧化还原电对的Z型体系，即全固态Z型光催化悬浮液体系，全固态Z型光催化悬浮液体系利用催化剂间的直接或间接表面接触实现电荷的高效传输，同时降低了副反应的发生几率，显著提高了光催化效率。然而该类全固态Z型体系由于半导体和电荷传输介体之间不能保证良好的欧姆接触，电荷传输效率受限，并且在粉末悬浮液体系中只有处于上方少部分光催化剂对光有吸收，下方颗粒光催化受遮光影响，导致光催化反应效率仍然很低。

针对悬浮液体系存在的弊端，2016年Domen教授课题组取得了很大突破，研制出一种“粉末转移(particle transfer)”Z型光催化剂板(SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo)，利用导电层作为HEP和OEP之间的电子介质，大幅提升了全解水反应性能。但是，其体系仍有一定的局限性，HEP、OEP的分布仍比较随机不够均匀，致使Z型光催化剂板上的光生载流子快速分离和转移受阻，同时可能会有少量的HEP、OEP呈多层分布，致使光吸收性能受限，因此，开发新型Z型光催化体系尤为重要。

本发明提出的一种用于高效光催化全解水的均匀互嵌“芯片式”Z型光催化剂板可有效解决这一问题，通过对负载电子介质的HEP芯片式刻蚀直至介质层，再在通道内定向生长OEP，将HEP和OEP规则锚定在导电基底上，显著改善载流子传输效率低、HEP和OEP分布不均匀、吸光效率低等一系列问题，为缓解温室效应引起的全球气候变化并取代人们对化石燃料的依赖提供了一个重要途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效光催化全解水的均匀互嵌阵列“芯片式”Z型光催化剂板与应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种“芯片式”Z型光催化剂板，产氢光催化剂HEP以阵列形式和产氧光催化剂OEP均匀互嵌锚定在电子介质层基底上，形成均匀互嵌阵列“芯片式”Z型光催化剂板。

所述产氢光催化剂HEP的阵列是由芯片光刻蚀法、微通道刻蚀、AAO反蛋白石模板法、纳米线阵列等制备方法获得。

所述产氧光催化剂OEP由化学定向剂板通过原位生长、喷涂、滴涂等方法获得。

所述电子介质层可以为Au、Ag、Pt、Pd、Cd等中的任意一种。

所述电子介质层可以由磁控溅射、激光脉冲沉积、热蒸镀等方法获得。